某药仓结构的动态应力分析

2016-01-29 03:51赵君麟

机械制造与自动化 2015年4期

赵君麟

(南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094)

某药仓结构的动态应力分析

赵君麟

(南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094)

摘要：弹药自动装填技术是现代火炮技术的重要分支，弹药分离的装填方式是弹药自动装填系统技术所必然采取的方式。药仓里面存储了大量的药块，所以对自行火炮行军以及发射过程中的药仓的动态应力分析是十分重要的，为药仓的结构优化提供了很重要的数据依据。

关键词：药仓；动态应力分析；路面谱

Dynamic Stress Analysis of Powder Cabin Structure

ZHAO Junlin

(School of Mechannical Engineering,Nanjing University of Science & technology,Nanjing 210094，China)

Abstract:Ammunition automatic loading technology is an important branch of modern artillery technology. The way that bullet and powder are loaded respectively is one adopted inevitably in the ammunition automatic loading system technology. A lot of powder block is stored in the powder cabin，so the dynamic stress analysis of the powder cabin during the march and the launch of the self-propelled artillery is very important. The very important data basis is provided for the structural optimization of the powder cabin.

Keywords:artillery; powder cabin; dynamic stress analysis; road surface spectrum

0引言

未来数字化火炮系统的发展，其核心技术和关键部件应该有很大一部分是在自助装填系统上。这种装备自动装填系统在当今火炮发展研制过程中是一个很重要的方向。在未来的数字化、信息化的战场环境下，火炮可作为迅猛的强有力的火力支援点。药仓作为自动装填系统的一个重要部件，其可靠性显得尤为重要。文中以药仓为研究对象，研究其在行军和发射过程中的动态应力。

1药仓结构的有限元建模

应用Pro/E建立药仓结构模型如图1所示，对药仓结构件动态应力分析主要考虑前后两个支撑支架，可以简化药仓结构。认定药筒是刚体，把药筒作为压力载荷，作用在前后两个支撑支架相应的位置上。压力载荷是随着药仓的加速度变化而变化的。

图1　药仓的Pro/E模型

ANSYS的有限元模型建立和加载计算步骤如下：

1) 导入药仓结构模型文件，先将Pro/E药仓结构模型导出*.igs文件，在ANSYS中导入药仓结构模型，通过布尔运算将各个零件变成一个零件。

2) 选择网格单元和设定材料属性，网格单元选择20node点的实体单元，材料密度是7.8×10-6kg/mm3，材料的弹性模量是2.1×105MPa，材料的泊松比是0.3。

3) 自由划分网格，选择菜单MainMenu：Preprocessor/Meshing/MeshTool，在出现的对话框单击Mesh按钮，其余接受默认设置，选择药仓结构模型，划分出自由网格，如图2所示。

图2　药仓的有限元网格

2行军过程中药仓结构的动态应力分析

在建立好药仓的有限元模型之后，对该模型加载。模型加载主要分两个部分，1) 药筒对药架支架的压力载荷；2) 药仓的位移扰动。

2.1载荷和扰动的加载

行军过程中的加速度和位移载获得的方法大致有3种，分别是实测法、数学建模法和虚拟样机法。现使用数学建模的方法来求解所需的加速度和位移载荷。建立火炮系统的振动微分方程：.

[M][Y'']+[C][Y']+[K][Y]=[c][F']+[k][F]+[N]

(1)

通常直接把路面不平度作外部激励输入。但是在三维履带车辆模型中，还要考虑履带对地面不平度的滤波效应。向量[F]=[0,[FL],[FR],0],便是经滤波作用后的路面不平度激励，其中[FL]、[FR]分别为两侧的路面不平度激励。路面不平度可以看作是空间上连续函数，所谓履带滤波效应，就是以履板长度为间隔，将该连续函数离散化的过程。以Δt的采样时间，对路面不平度进行采样，获得采样数据{y1,y2,...yi}。然后，对yk、yk+1和yk+2三点进行拉格朗日插值，得到yk和yk+1两点之间的履带板链节处的路面高程。最后，将各链节处的高程线性连接，便得到了履带滤波后的路面不平度。

路面不平度通常根据路面谱来重构，路面功率谱密度可以表示为：

(2)

(3)

其中，α为自协方差衰减系数，表示路面起伏的剧烈程度；σ为路面均方差；ω为路面空间频率；利用三角级数叠加的方法，左右两侧路面可分别表示为：

(4)

(5)

(6)

(7)

其中：β是路面双侧路面互协方差衰减系数，B是双侧路面间距，ζ是路面的调和系数。

(8)

数值求解方程式(1)便可获得自行火炮的振动响应，但是F'的存在为求解过程造成了困难，可以通过状态变化，将方程式(1)改写为：

[Z']=[A][Z]+[B][R]

(9)

数值求解方程式(9)，便可获得自行火炮的振动响应。由于药仓的是直接固连在车体上，应选用C级路面谱，通过计算和绘制得到支架的位移、速度、加速度的曲线图(图3、图4、图5)。

图3　支架的位移曲线

图4　支架的速度曲线

图5　支架的加速度曲线

位移扰动的加载时，通过拟合支架的位移曲线得到位移数值，直接加载在支架下端平面上。压力载荷通过药仓加速乘以质量求得的数值，加载在药筒与支架的接触面上。

2.2药仓的动态应力分析

加载之后，通过计算可以观察到图6和图7所示的等效应力图和节点位移图，也可以观察到最大应力变化图。它们分别如图8、图9所示。通过观察可以发现，药仓支架的较大应力主要分布于与药筒接触面的周边。虽然这些应力都不是很大。但如果自行火炮长期在起伏路面上行驶，由于药筒周边的支架连接的材料较少，长期受交变应力的影响，它们可能受到疲劳破坏。从药仓的节点位移图可以发现，药仓结构就像一座桥梁一样，它的主要变形集中在上面的梁体上，而药仓结构优化可以从加固梁体的刚度入手。